如何成功地偏置RF功率放大器？

　　我们在自己的日常活动（或是给亲戚打电话、或是给朋友发短信、甚至是通过移动设备阅读这篇博客文章）中使用射频（RF）通信。空气里有许多信号在快速传播，然而，大多数这样的信号是哪里产生的呢？大部分RF通信源自蜂窝塔或无线基站，例如图1所示的基站塔。
　　这些基站内有很多组件，因此一份完整的总结将变成一篇博士论文！但笔者不会面面俱到去赘述，而是集中讨论一种对任何基站而言均至关重要的组件：功率放大器（PA）。
　　正如您可能已猜到的，PA的目的是将低功率RF信号放大成高功率RF信号（被驱入***）。
　　在注入任何RF信号之前，要把一种直流（DC）电压（）施加到PA的栅极并对该电压进行调节，直到所需的漏极电流流过PA。该电流通常被称为静态电流 —— 无RF输入存在时流动的电流。可对该静态电流值进行选择，以适合最终应用（包括调制系统和器件运行级别）。图2是典型PA设置的简化原理图。
　　
　　图2：简化的PA原理图
　　为更好地了解栅极电压和静态电流如何影响RF（交流 （AC） ）性能，您可以用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）模型来代替PA，得出下面的表达式：
　　
　　（处于饱和状态的MOSFET）
　　（1）
　　
　　（2）
　　图3是两个方程式的图形表述形式。驱动一个小的RF输入信号，使其叠加到DC栅极电压上，从而产生一种AC漏极电流。该AC电流围绕静态电流值（见图3a）振荡。您可利用MOSFET晶体管I-V曲线和负载线分析来找到相应的AC漏极电压（见图3b）。在确定AC漏极电压与AC漏极电流之间的关系时，方程式2可进一步简化为方程式3。
　　
　　（3）
　　在图3a中，使用跨导的斜率计算结果，您可进一步将表达式归纳为：
　　
　　（4）
　　因此该放大器的电压增益被诠释为，这可换算成：
　　
　　上述表达式主要阐明该配置的增益与静态电流Idsq直接成比例。此外，还可对进行选择，以确保输出电压摆幅不会因饱和而受限；这就是您应该在RF运行之前选一个值的原因，此举需要一种规定的DC栅极电压。
　　
　　
　　
　　（b）MOSFET共源负载线分析
　　传统上，大多数PA偏置系统均采用分立式解决方案，有些这样的解决方案像PA栅极上的电位计（可变电阻分压器）一样简单。较新的方法利用精密数模转换器（DAC）和/或数字电位计的准确性和数字接口。横向扩散MOSFET（LDMOS）、砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）等不同的PA技术需要不同等级的栅极电压用于器件运行。例如，GaN和GaAs需要负偏置系统，而LDMOS则需要适用于器件运行的正电压。出于这个原因，许多PA偏置解决方案现在也开始把具有双极性范围的DAC列为一部分。

　　
　　笔者在以前的博客文章里谈论了功率放大器（PA）及其在无线基站中的使用。主要阐明静态电流（或者说是流过PA的直流 （DC） 电流）如何在影响整体系统性能和效率方面发挥重大作用。此外，还可对该静态电流（）进行选择，以优化功耗和信号（射频【RF】）增益。
　　既然您已理解了这个概念，那么让我们假设这样的情景：您马上抓起一个PA前往离您最近的实验室，为获得一个规定的电流值而对栅极进行偏置。经过一些负载线分析后，您选择了一个q点，并用该信息来对该PA的栅极进行偏置。成功了！一切似乎都在按计划进行。为了犒劳自己，您决定赶着去吃顿快餐。您稍事休息后返回实验室，令您惊奇的是，您发现值已发生了变化。
　　这是怎么回事呢？哦，原来该PA在器件运行过程中显示出的非线性主要依赖于温度。当您离开时，该PA在慢慢升温，产生了不同的值。这是一个问题，因为的变化会影响系统性能（这些变化会引起信号失真）。
　　为了从数学方面解释这个温度依赖性的概念，图1将该PA简化成了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）模型。
　　
　　图1：MOSFET对温度的依赖性
　　上图展示了晶体管处于饱和状态时的特性。您从方程式1中可看到，在整个温度范围内影响该器件非线性行为的两个参数是该器件的载流子迁移率（μ）和阈值电压（Vth）。这个简化的模型展示了温度如何影响PA性能 ——实际上，RF PA的范围很广，从横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）到氮化镓（GaN），再到砷化镓（GaAs）技术，不一而足。尽管这些技术表现出不同的器件行为，但它们却都因为各自在整个温度范围内的阈值电压（Vth）和迁移率（μ）变化而显示出相似的温度依赖性。即使这些参数发生最不起眼的变化也会影响性能，原因是这会改变流经PA的电流，从而导致不可预测的输出功率。
　　为抵御非线性的影响，大多数解决方案都包括可在整个PA上记录电流或温度的监测系统。让我们回顾一下它们是什么。
　　电流检测
　　该方法包括一个模数转换器（ADC）和一个电流检测放大器，以便通过在整个检测电阻器上测量差分电压来监测，如图2所示。当在整个温度范围内变化时，微控制器（MCU）可采用积分算法对数模转换器（DAC）电压进行数字调节。当所测的和预期值有出入时，MCU可更新DAC电压，使更接近该预期值。
　　
　　图2：电流监测与控制

　　温度检测
　　为了实施这个方法，在整个温度范围内均对该PA进行了表征，以便为给定获得含有温度与栅极电压（）数据的查找表（LUT）。图3展示了范例表征曲线。
　　
　　图3：Vgate与温度 ——表征曲线
　　在运行过程中，MCU可回头查阅存储器中所存的LUT。温度传感器可在整个PA上测量温度，该温度用来插入规定电流所需的栅极电压。一旦计算出这个值，MCU就会对DAC进行数字更新，从而产生更新过的偏置电压。图4展示了该系统。
　　
　　图4：温度监测与控制
　　正如您可能已注意到的，为实现可高效优化PA性能的稳健解决方案，需要若干组件。这些组件包括ADC、电流检测放大器、DAC、温度传感器、精密参考块和接口连接型MCU（最后一项但并非最不重要的一项）。